Физические свойства горных пород

Физические свойства горных пород и лабораторные методы их изучения

Пористость — это объем всех пор в породе, выраженный в процентах от общего объема образца. Этот параметр важен для оценки фильтрационных и аккумуляционных свойств пород. Существует эффективная и общая пористость. Общая учитывает все поры, включая закрытые, а эффективная — только соединённые между собой, способные пропускать жидкости.

Методы определения:

Метод насыщения жидкостью. Сухой образец насыщается водой или другой жидкостью, после чего измеряется разность масс. По известному объему образца рассчитывается пористость.
Метод газовой пикнометрии. Используется газ (обычно гелий), проникающий во все открытые поры. Изменение давления в камере позволяет оценить объем пор.
Ртутная порометрия. Под высоким давлением ртуть заполняет поры, и по объему введённой ртути строится распределение пор по радиусам.

Водонасыщенность определяет степень заполнения пор водой и выражается в процентах. Она зависит от условий насыщения и капиллярных свойств породы.

Плотность

Истинная плотность — масса минерального вещества без пор. Объёмная плотность учитывает поры и пустоты. Разность между ними свидетельствует о степени пористости.

Методы измерения:

Гидростатический метод (метод Архимеда). Образец взвешивается в воздухе и в воде. По разности определяется объем вытесненной жидкости.
Пикнометрический метод. Часто применяется для дроблёного материала. Материал заливается жидкостью в пикнометре, и по объему вытесненной жидкости вычисляется плотность.
Метод газовой пикнометрии. Аналогично используется гелий или другой инертный газ.

Проницаемость

Проницаемость описывает способность породы пропускать жидкость или газ. Характеризуется коэффициентом проницаемости, измеряемым в дарси или миллидарси.

Методы определения:

Статический метод. Под постоянным давлением жидкость проходит через образец, и измеряется объем, прошедший за единицу времени.
Динамический метод. Измеряется падение давления вдоль длины образца при постоянном расходе жидкости.
Импульсный метод. Используется кратковременное давление газа; по его затуханию рассчитывается проницаемость.

Особую сложность представляет определение проницаемости при низкой насыщенности и для трещиноватых пород, где эффект капиллярных сил существенно искажает результат.

Электрические свойства

Удельное электрическое сопротивление — важная характеристика, используемая в геоэлектрических исследованиях. Зависит от минерального состава, пористости, насыщенности и электропроводности насыщенной жидкости.

Методы лабораторного изучения:

Метод двух электродов. Через образец пропускается ток, измеряется разность потенциалов.
Четырёхэлектродная схема. Позволяет избежать погрешности за счёт поляризации электродов.
Импедансная спектроскопия. Позволяет изучать зависимость сопротивления от частоты, выявляя эффект двойного электрического слоя и диэлектрические свойства.

Также измеряется коэффициент насыщенности по уравнению Арчи, который учитывает влияние водонасыщенности на электросопротивление.

Магнитные свойства

Магнитные параметры важны как для интерпретации геофизических данных, так и для палеомагнитных исследований.

Основные параметры:

Магнитная восприимчивость — способность материала намагничиваться в ответ на внешнее магнитное поле.
Остаточная намагниченность — намагниченность, сохраняющаяся после удаления внешнего поля.
Коэрцитивная сила — напряжённость поля, необходимая для размагничивания породы.

Методы определения:

Измерение восприимчивости. Используются приборы-индуктометры и магнитометры (например, Фарадея и Гаусса).
Термомагнитный анализ. Образец нагревают до точки Кюри и фиксируют изменения в намагниченности.
Измерение остаточной намагниченности. С использованием магнитометров типа СПИН, КГМ, КВМ.

Механические свойства

Механическое поведение горных пород определяется их сопротивлением к деформациям и разрушению.

Основные параметры:

Прочность на сжатие и растяжение.
Модуль упругости (Юнга).
Предел текучести.
Коэффициент Пуассона.
Скорости продольных и поперечных волн.

Методы испытаний:

Одноосное сжатие. Образец подвергается вертикальной нагрузке до разрушения. Определяется предел прочности и деформационные характеристики.
Трёхосное сжатие. Позволяет моделировать условия глубинного залегания с учётом бокового давления.
Скоростные методы. На основе распространения упругих волн в образце. Измеряется время прохождения ультразвукового импульса через породу.

Тепловые свойства

Теплопроводность и теплоёмкость горных пород играют важную роль в задачах геотермии, инженерной геофизики и моделирования тепловых режимов.

Методы изучения:

Метод линейного источника. В образец вводится нагревательный элемент, и по изменению температуры рассчитывается теплопроводность.
Импульсный метод. На короткое время подаётся тепловой импульс, и по его затуханию оценивается теплоёмкость.
Статический метод. Проводится долговременный нагрев с измерением температурных градиентов.

Радиоактивные свойства

Некоторые горные породы содержат естественные радиоактивные элементы — уран, торий и калий, что позволяет использовать их радиометрические характеристики в геологоразведке.

Методы лабораторного анализа:

Гамма-спектрометрия. Определяет содержание радиоактивных элементов и их распределение по образцу.
Сцинтилляционные и газоразрядные счётчики. Измеряют интенсивность излучения.
Метод альфа- и бета-активности. Используется при исследовании продуктов распада.

Анизотропия физических свойств

Многие породы демонстрируют анизотропию — зависимость физических свойств от направления измерений. Это касается проницаемости, магнитной восприимчивости, скорости упругих волн.

Методы оценки:

Измерение свойств в разных направлениях. Образцы берутся с ориентацией по осям X, Y, Z.
Томография упругих свойств. На основе сканирования скоростей волн в различных направлениях.
Магнитная ткань (AMS). Определяет направление намагниченности и анизотропию магнитной восприимчивости.

Комплексные методы анализа

Лабораторные методы редко используются изолированно. В большинстве случаев для полноценной характеристики физико-геологических свойств породы применяются комплексные методы, объединяющие:

Петрофизику.
Минералогический анализ.
Химический состав.
Микроструктурные исследования (сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия).

Такая интеграция позволяет установить взаимосвязи между минеральным составом, структурой, пористостью, механическими и фильтрационными характеристиками.

Значение лабораторных методов

Лабораторные методы играют ключевую роль в интерпретации геофизических данных, разработке моделей месторождений, инженерно-геологических расчётах и предсказании поведения горных пород в реальных геологических условиях. Точные измерения физических свойств обеспечивают надёжность прогнозов и позволяют переходить от эмпирических наблюдений к количественным геофизическим моделям.